三電平DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其滑?？刂品椒?/h1>

時(shí)間：2011-03-16 11:40:27

關(guān)鍵字： 拓?fù)?/a>    控制方法    三電平    滑?？刂?/a>   

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關(guān)鍵詞：三電平；DC/DC變換器；滑?？刂?

1    引言

    J.Renes Pinheiro于1992年提出了零電壓開(kāi)關(guān)三電平DC/DC變換器^[1]，該變換器的開(kāi)關(guān)應(yīng)力為輸入直流電壓的1/2，非常適合于輸入電壓高、輸出功率大的應(yīng)用場(chǎng)合。因此，三電平DC/DC變換器引起了廣泛關(guān)注，得到了長(zhǎng)足發(fā)展。目前，三電平技術(shù)在已有的DC/DC變換器中，均得到了很好的應(yīng)用。部分三電平DC/DC變換器在降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力的同時(shí)，還大大減小了濾波器的體積，提高了變換器的動(dòng)態(tài)特性。三電平技術(shù)的應(yīng)用，充分體現(xiàn)了“采用有源控制的方式減小無(wú)源元件體積”的學(xué)術(shù)思想。

2    三電平DC/DC變換器拓?fù)涞耐茖?dǎo)與發(fā)展

2.1    三電平兩種開(kāi)關(guān)單元

    文獻(xiàn)[2]分析了三電平DC/DC變換器的推導(dǎo)過(guò)程：用2只開(kāi)關(guān)管串聯(lián)代替1只開(kāi)關(guān)管以降低電壓應(yīng)力，并引入1只箝位二極管和箝位電壓源(它被均分為兩個(gè)相等的電壓源)確保2只開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力均衡。電路中開(kāi)關(guān)管的位置不同，其箝位電壓源與箝位二極管的接法也不同。文中提取出2個(gè)三電平開(kāi)關(guān)單元如圖1所示。圖1(a)中，箝位二極管的陽(yáng)極與箝位電壓源的中點(diǎn)相連，稱(chēng)之為陽(yáng)極單元；圖1(b)中，箝位二極管的陰極與箝位電壓源的中點(diǎn)相連，稱(chēng)之為陰極單元。

2.2    六種非隔離三電平DC/DC變換器

    三電平DC/DC變換器的推導(dǎo)過(guò)程可以總結(jié)為以下三個(gè)步驟：一是將基本變換器的開(kāi)關(guān)管替換為相互串聯(lián)的2只開(kāi)關(guān)管；二是尋找或構(gòu)成箝位電壓源；三是從箝位電壓源的中點(diǎn)引入1只箝位二極管到相互串聯(lián)的2只開(kāi)關(guān)管的中點(diǎn)，箝位二極管的放置與2只開(kāi)關(guān)管與箝位電壓源聯(lián)接的地方有關(guān)。

    為了確保2只開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力相等，三電平DC/DC變換器一般由圖1所示的兩種開(kāi)關(guān)單元共同組成。文獻(xiàn)[2]所分析的半橋式三電平DC/DC變換器的推導(dǎo)思路，可以推廣到所有的直流變換器中，由此提出了一族三電平DC/DC變換器拓?fù)?，包括Buck，Boost，Buck?Boost，Cuk，Sepic，Zeta等6種非隔離的三電平DC/DC變換器，但是這6種非隔離的三電平DC/DC變換器的輸入與輸出是不共地的，這個(gè)缺點(diǎn)限制了它們的使用范圍。

(a)    三電平陽(yáng)極單元    (b)    三電平陰極單元

圖1    兩種三電平開(kāi)關(guān)單元

    文獻(xiàn)[10]提出將隔直電容引入到輸入輸出不共地的非隔離三電平DC/DC變換器中，并對(duì)變換器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其輸入與輸出共地。改進(jìn)后的變換器保留了改進(jìn)前的變換器的所有優(yōu)點(diǎn)，即：開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的1/2；可以大大減小儲(chǔ)能元件的參數(shù)；續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力為輸入電壓的1/2。圖2所示為6種輸入輸出共地的非隔離三電平DC/DC變換器。

(a)Buck三電平DC/DC變換器(b)Boost三電平DC/DC變換器(c)Buck-Boost三電平DC/DC變換器

(d)Cuk三電平DC/DC變換器(e)Sepic三電平DC/DC變換器(f)Zeta三電平DC/DC變換器

圖2    非隔離式三電平DC/DC變換器

2.3    五種隔離三電平DC/DC變換器

    同理，可以推導(dǎo)出Forward，F(xiàn)lyback，Push-Pull，半橋和全橋等隔離的三電平DC/DC變換器[2]，如圖3所示。

(a)    Forward三電平DC/DC變換器

(b)Flyback三電平DC/DC變換器  [!--empirenews.page--]

(c)    Push-Pull三電平DC/DC變換器

(d)    半橋三電平DC/DC變換器

(e)    全橋三電平DC/DC變換器

圖3    隔離式三電平DC/DC變換器

3    三電平DC/DC變換器中濾波元件參數(shù)的選擇

    上述6種非隔離的三電平DC/DC變換器和全橋三電平DC/DC變換器均可以得到三電平輸出波形，從而大大減小了濾波元件的參數(shù)。文獻(xiàn)[3,4]詳細(xì)分析了一類(lèi)零電壓零電流開(kāi)關(guān)復(fù)合式全橋三電平DC/DC變換器，該變換器的輸出整流電壓高頻交流分量很小，可以減小輸出濾波器，改善變換器的動(dòng)態(tài)性能；同時(shí)其輸入電流脈動(dòng)很小，可以減小輸入濾波器。

    下面以Buck三電平DC/DC變換器和傳統(tǒng)的Buck變換器中濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行比較。圖4表明Buck三電平DC/DC變換器的電感電流最大脈動(dòng)量?jī)H為Buck變換器的1/4。如果兩者電感電流脈動(dòng)的最大值相同，那么Buck三電平DC/DC變換器的濾波電感量可減小為Buck變換器的濾波電感量的1/4。

圖4    BuckTL變換器的電感量為Buck變換器電感的1/4

    在設(shè)計(jì)一個(gè)電源時(shí)，其輸出紋波大小都有明確的限制，據(jù)此，可以計(jì)算出輸出濾波電容的大小。經(jīng)過(guò)分析，如果電感電流脈動(dòng)相同，Buck三電平DC/DC變換器的輸出濾波電容放電頻率較Buck變換器提高了1倍，因此其濾波電容是可以減小為Buck變換器濾波電容量的1/2?？紤]到電容寄生參數(shù)的影響，濾波電容的值要適當(dāng)放大，并采用多個(gè)較小容量電容并聯(lián)的方式以減小等效串聯(lián)電阻（ESR）。 [!--empirenews.page--]

4    滑?？刂圃谌娖紻C/DC變換器中的應(yīng)用研究

    在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)槿娖紻C/DC變換器開(kāi)關(guān)數(shù)目比較多，控制相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)它的控制方法的研究還處于起步階段。三電平DC/DC變換器工作時(shí)有多個(gè)模態(tài)，且每個(gè)模態(tài)有其獨(dú)立的狀態(tài)方程，要對(duì)三電平DC/DC變換器進(jìn)行系統(tǒng)的解析分析比較困難。目前，三電平DC/DC變換器中一般采用脈寬調(diào)制(PWM)和交錯(cuò)控制相結(jié)合的方法。但是PWM控制有其固有的缺陷，即它的控制性能依賴(lài)于系統(tǒng)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)受到瞬態(tài)或持續(xù)擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的參數(shù)也會(huì)改變，甚至?xí)霈F(xiàn)參數(shù)不匹配的情況，這樣控制性能將大大降低。

    為了提高和改善三電平DC/DC變換器的穩(wěn)定性，抗負(fù)載擾動(dòng)及參數(shù)攝動(dòng)，快速性等，現(xiàn)代控制理論如自適應(yīng)控制，非線(xiàn)性反饋線(xiàn)性化控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，最優(yōu)控制，以及模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制在三電平DC/DC變換器中的應(yīng)用研究也將逐步開(kāi)展。但目前還尚未有文獻(xiàn)論述。

    其中，滑模變結(jié)構(gòu)控制在電力電子系統(tǒng)中改善魯棒性，動(dòng)態(tài)品質(zhì)，控制硬件電路的設(shè)計(jì)等方面取得了一些成果[8，9]?；？刂票举|(zhì)上是一種變結(jié)構(gòu)控制，它的突出優(yōu)點(diǎn)是其控制性能不依賴(lài)于系統(tǒng)參數(shù)。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)介紹了DC/DC變換器的滑模變結(jié)構(gòu)控制，論述了如何以等效控制作為分析手段來(lái)分析Buck,Boost,Buck?Boost變換器，該方法保證了系統(tǒng)在大信號(hào)和小信號(hào)情況下的穩(wěn)定性。

    對(duì)于三電平DC/DC變換器，由于其特有的多模態(tài)工作情況，很適合于采用滑模變結(jié)構(gòu)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)和改善變換器的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。圖5給出了Buck三電平DC/DC變換器的實(shí)驗(yàn)原理圖，圖6給出了Buck?Boost三電平DC/DC變換器的實(shí)驗(yàn)原理圖。滑?？刂朴布娐穼?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，理論上有無(wú)限高的開(kāi)關(guān)頻率，但是受實(shí)際開(kāi)關(guān)器件的頻率限制，要求在滑?？刂频目刂菩盘?hào)輸出端加一個(gè)延遲環(huán)節(jié)，一般采用施密特觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。400Hz驅(qū)動(dòng)信號(hào)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓輸入擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)，以驗(yàn)證滑?？刂茖?duì)這兩個(gè)擾動(dòng)的魯棒特性。

圖5    基于滑?？刂频腂uck三電平DC/DC變換器實(shí)驗(yàn)原理圖

圖6    基于滑?？刂?/strong>的Buck?Boost三電平DC/DC變換器實(shí)驗(yàn)原理圖